Fahrsicherheit

1,2 Millionen Menschen verlieren jährlich bei Verkehrsunfällen ihr Leben. Deshalb werden schon seit den 1950er Jahren Crashtests mit Dummys durchgeführt.

In Gesetzen und Verbraucherschutztests (z. B. das European NCAP) sind weltweit zahlreiche Crashszenarien definiert, in denen festgelegt ist, wie ein neues Fahrzeugmodell getestet werden muss, bevor es zugelassen wird oder eine entsprechende Verbraucherschutzwertung erhält. Diese Crashtests sind jedoch sehr kostspielig und aufwendig. In den letzten Jahren werden daher in allen Stadien der Entwicklung vermehrt Simulationen durchgeführt, um die Crashsicherheit eines Fahrzeugs zu gewährleisten und die Anzahl der Crashtests zu verringern. Der nächste Schritt weg von realen Crashtest hin zur Zulassung simulativer Untersuchungsergebnisse zur Bewertung der Crashsicherheit eines Fahrzeugs ist bereits angedacht. Simulationen werden am Institut meist mit LS-DYNA durchgeführt, für die zwei Rechencluster des SRC Simtech sowie des HLRS zur Verfügung stehen.

Seitenaufpralltest nach dem europäischen Standard ECE R95 - the 2001 Ford Taurus model has been developed by The National Crash Analysis Center (NCAC) of The George Washington University under a contract with the FHWA and NHTSA of the US DOT.

Menschmodelle für die Crashanalyse

Um die Belastungen des menschlichen Körpers bei einem Crash abschätzen und entsprechende Insassenschutzsysteme entwickeln zu können, werden verschiedene Dummymodelle in Crashtests eingesetzt. Je nach Crashszenario werden unterschiedliche Körperregionen belastet und daher werden z. B. für Untersuchungen des Seitenaufpralls andere Dummymodelle verwendet als für den Frontalaufprall. Wie genau ein mechanischer Dummy den menschlichen Körper abbilden kann ist fraglich. Er kann aber stets nur für einen eingeschränkten Bereich valide Ergebnisse liefern. Für die aktuell verfügbaren Dummymodelle ist das die sogenannte In-Crash-Phase.

Auch in der Insassenschutzentwicklung ersetzen Simulationen immer mehr reale Crashtest. Der Zwischenschritt "Mechanisches Ersatzmodell Dummy" ist bei der Abbildung des menschlichen Körpers in einer Simulation eigentlich nicht mehr zwingend notwendig. Stattdessen kann der Mensch direkt modelliert werden. Solche Menschmodelle wollen wir untersuchen und verbessern. Besonderes Augenmerk wollen wir dabei auf die Belastungen beim Seitenaufprall richten.

Des weiteren sind Menschmodelle besonders für den Einsatz in der Entwicklung von aktiven Sicherheitssysteme geeignet. Solche Sicherheitssysteme nutzen den Zeitraum vor dem Aufprall, die sogenannte Pre-Crash-Phase, um aktiv das Verletzungsrisiko des Insassen zu senken. Durch die Modellierung wichtiger Muskelpartien des Menschen, sind die Modelle in der Lage, das Verhalten des menschlichen Körpers auch in der Pre-Crash-Phase abzubilden. Da die Pre-Crash-Phase deutlich länger als die In-Crash-Phase ist, ist mit der Entwicklung von aktiven Sicherheitssystemen eine Steigerung des Insassenschutzes zu erwarten. Für die Modellierung von Muskeln besteht eine Kooperation innerhalb des SRC Simtech mit Jun.-Prof. Dr. Syn Schmitt.

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Spectral Clustering eines Fahrzeugquerträgers beim Frontalcrash

Beschleunigung der Simulation

Um aufwendige Crashtests während der Entwicklung eines Fahrzeugs zu vermeiden, wird heutzutage immer häufiger das Werkzeug der Simulation eingesetzt. Durch die dort verwendeten, detaillierten Modelle (mehrere Millionen Freiheitsgrade) benötigen jedoch selbst Rechencluster zu lange, um alle interessanten Parameter in den immer kürzer werdenden Entwicklungszeiten zu testen. Hier liegt es auf der Hand, zuerst eine Modellreduktion (MOR) durchzuführen, d. h. das Modell so sehr zu vereinfachen, dass die Rechenzeit der expliziten Finite-Elemente-Methoden signifikant abnimmt, jedoch das Modell seine Eigenschaften möglichst beibehält. Mathematisch geschieht dies z. B. durch die Projektion in einen geeigneten Unterraum (Reduced Order Model Reduction).

Crashtests weisen jedoch auch stark nichtlineares Verhalten auf, beispielsweise orthogonale Kontakte, bei einem Materialbruch oder durch die Verwendung neuartiger Leichtbauelemente mit nichtlinearen Materialgesetzen, weshalb lineare Methoden der Modellreduktion nicht ausreichend sind.

Zur Identifikation dieser nichtlinearen Bereiche werden Clusteringverfahren wie k-means oder Spectral Clustering adaptiert (Abbildung rechts), die aus verschiedenen Fachgebieten wie der Statistik, künstlichen Intelligenz oder Bildverarbeitung stammen. Somit können gezielt lineare Bereiche mit schnellen, linearen MOR-Methoden (z. B. mit der am Institut entwickelten Software MOREMBS) reduziert werden. Für die nichtlinearen Regionen können moderne Verfahren zur Dimensionsreduzierung wie POD-DEIM und Hyper-Reduction angewandt werden. Advanced Mass Scaling und Multidomänen-Simulation sind weitere Möglichkeiten, die Simulation zu beschleunigen.

Bei jeder Reduzierung der Komplexität entsteht ein Berechnungsfehler. Es ist nicht nur Aufgabe, diesen gering zu halten sondern möglichst auch kontrollieren zu können, so dass die virtuelle Simulation auch Hardware-Crashtests mit Fahrzeugen in Zukunft sicher ersetzen kann.

Instituts-Fahrsimulator mit aktiver Bewegungsplattform (c)
Instituts-Fahrsimulator mit aktiver Bewegungsplattform

Erste durchgeführte Freiwilligentests mit synchronisierter Aufnahme der Fahrer-Kinematik und der Muskelaktivität im Nacken.

Validierung von Menschmodellen mittels Driver-in-the-Loop Simulator

In der Crashsimulation sind Daten über das Verhalten von aktiven Insassen in unterschiedlichen Fahrszenarien kaum verfügbar, bzw. nur unzureichend erforscht. Mittels Freiwilligenversuche unterschiedlicher Art lassen sich diese wichtigen Validierungsdaten generieren. Am Institut für Technische und Numerische Mechanik wird dafür ein Fahrsimulator verwendet, der im Zuge des Juniorprofessorenprogramms des Land Baden-Württemberg implementiert werden konnte. Der Driver-in-the-Loop Simulator besteht unter anderem aus einer Force-Feedback Lenkrad- und Pedaleinheit und einer aktiven Bewegungsplattform mit 6 Freiheitsgraden. Die elektrischen Antriebe der Bewegungsplattform ermöglichen mittels spezieller Motion Cueing Algorithmen ein verbessertes Fahrgefühl, indem die Fahrzeugzustände des Fahrzeugmodells durch adäquate Plattformbewegungen emuliert werden. Die zusätzliche Ausstattung mit einer VR-Brille und einem Bass-shaker auf der Rückseite des Sitzes fördern die Fahrer-Immersion. Der Simulator bietet eine sichere Umgebung für reproduzierbare Crashszenarien mit weiteren Verkehrsteilnehmern und erlaubt die Untersuchung der Fahrerreaktion in Pre-Crash Szenarien.

Neben dem virtuellen Erlebnis einer Autofahrt mit möglichen Pre-Crashszenarien, erfolgt eine Aufzeichnung des Fahrerzustands mittels Motion Capture System und Oberflächen-EMG Messungen. Dadurch können Informationen zum Verhalten des Fahrers in bestimmten Fahrsituationen gewonnen werden. Diese werden in Crashsimulationen genutzt, um die Biofidelität der Insassenmodelle zu verbessern. Durch den Einsatz dieser verbesserten aktiven Menschmodellen kann die Wirksamkeit von neuartigen Schutzsystemen weiter erhöht werden.

Am Tag der Wissenschaft 2018 nutzten etwa die Hälfte der rund 200 Besucher die Gelegenheit, einmal selbst ein virtuelles Fahrzeug zu steuern. Durchgeführt wurden Crashszenarien mit einem zweiten Verkehrsteilnehmer um den Besuchern die Wirkungsweise des Simulators und das Forschungsgebiet nahezubringen.

Kontakt

Jörg Fehr
apl.-Prof. Dr.-Ing.

Jörg Fehr

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